柔軟な結晶構造が固体エネルギー材料を提供

屈曲する結晶構造が固体エネルギー材料を提供：デューク大学の研究者チームとその共同研究者は、アルギロダイトと呼ばれる化合物群を固体電池の電解質と熱電エネルギー変換器の両方の魅力的な候補にする原子機構を解明した。

この発見と、その発見に使用された機械学習アプローチは、家庭用蓄電池や電気自動車の急速充電などの用途向けのエネルギー貯蔵の新時代の到来をもたらす可能性があります。

この結果は、Nature Materials誌オンライン版に5月18日に掲載された。

「これは、材料の各構成要素が非常に大きく複雑であるため、これまで解けなかったパズルです」とデューク大学の機械工学および材料科学の准教授であるオリビエ・デレールは述べた。「私たちは、このクラスの材料全体が全固体電池イノベーションの分野でホットな話題となる原因となっているメカニズムを原子レベルで解明しました。」

世界が再生可能エネルギーを基盤とした未来に向かって進む中、研究者はエネルギーを貯蔵し、家庭や電気自動車に分配するための新しい技術を開発する必要があります。これまでの標準的な担い手は液体電解質を含むリチウムイオン電池でしたが、効率が比較的低く、液体電解質の場合によっては引火して爆発する可能性があることを考慮すると、理想的な解決策とは程遠いです。

「私たちは、このクラスの材料全体が全固体電池イノベーションの分野でホットな話題となる原因となっているメカニズムを原子レベルで解明しました。」

オリヴィエ・デュレール

これらの制限は主に、リチウムイオンが電極間を比較的自由に移動できるようにする、リチウムイオン電池内の化学的に反応性の液体電解質に起因します。電荷の移動には優れていますが、液体成分により高温に敏感になり、劣化や最終的には暴走する熱災害を引き起こす可能性があります。

柔軟な結晶構造が固体エネルギー材料を提供: 多くの公的および民間の研究機関は、さまざまな材料から代替固体電池を開発するために多大な時間と資金を費やしています。このアプローチが正しく設計されていれば、少なくとも理論上は、エネルギー密度が高く、より安全で安定したデバイスが提供されます。

全固体電池への商業的に実行可能なアプローチをまだ誰も発見していませんが、主要な候補の 1 つは、銀を含む鉱物にちなんで名付けられたアルギロダイトと呼ばれる化合物のクラスに依存しています。これらの化合物は、2 つの元素で構成され、3 番目の元素が化学構造内を自由に移動できる、特定の安定した結晶骨格から構築されています。銀、ゲルマニウム、硫黄などの一部のレシピは天然に存在しますが、一般的な枠組みは研究者が幅広い組み合わせを作成できるほど柔軟です。

「どの電気自動車メーカーも新しい全固体電池の設計に移行しようとしているが、どのメーカーもどの組成に賭けているかを明らかにしていない」とデレア氏は語った。「そのレースに勝てば、車の充電が速くなり、長持ちし、安全性が同時に高まるので、状況が一変するでしょう。」

新しい論文の中で、Delaire と彼の同僚は、銀、錫、セレンで作られた 1 つの有望な候補 (Ag8SnSe6) に注目しています。研究者らは、中性子とX線を組み合わせて、これらの非常に高速で移動する粒子をAg8SnSe6サンプル内の原子から跳ね返し、その分子挙動をリアルタイムで明らかにした。チームメンバーのマヤナク・グプタ氏は、デレール氏の研究室の元博士研究員で、現在はインドのバーバ原子研究センターの研究員で、データを理解するための機械学習アプローチを開発し、第一原理を使用して観測結果と一致する計算モデルを作成した。量子力学的シミュレーション。

「すべての電気自動車メーカーは新しい全固体電池の設計に移行しようとしているが、どのメーカーもどの組成に賭けているかを明らかにしていない。車はより速く充電でき、より長く持続し、より安全になるため、そのレースに勝つことは状況を大きく変えることになるだろう」一斉に。"

オリヴィエ・デュレール

結果は、スズとセレンの原子が比較的安定した足場を作り出したものの、静的とは程遠いものであることを示しました。結晶構造は常に屈曲して、帯電した銀イオンが材料中を自由に移動できるように窓とチャネルを作成します。デレア氏によると、このシステムは、銀がほぼ液体のような状態にあるのに対し、錫とセレンの格子は固体のままであるようなものであるという。

「銀の原子が非常に浅い井戸の底でガタガタと揺れるビー玉のようなもので、結晶の足場がしっかりしていないように動き回っているようなものです」とデレール氏は語った。「液体と固体の両方の状態の間に存在する物質の二重性が、私が最も驚くべきことだと感じました。」

この結果、そしておそらくより重要なことに、高度な実験分光法と機械学習を組み合わせたアプローチは、研究者が多くの重要な用途でリチウムイオン電池の代替に向けてより迅速に前進するのに役立つはずです。 Delaire 氏によると、この研究は、異なるレシピからなるさまざまな有望なアルギロダイト化合物を対象とした一連のプロジェクトの 1 つにすぎません。銀をリチウムに置き換える組み合わせの 1 つは、EV バッテリーとしての可能性を考慮すると、このグループにとって特に興味深いものです。

柔軟な結晶構造が固体エネルギー材料を提供: 「これらの材料の多くは、電池に非常に速い伝導性を提供すると同時に、熱電変換器に優れた断熱材でもあります。そのため、私たちは化合物群全体を体系的に調べています」とデレール氏は述べた。「この研究は、わずか数年でこれらの材料をシミュレートする能力において大幅な進歩を可能にした当社の機械学習アプローチのベンチマークとして役立ちます。これにより、新しい化合物を仮想的に迅速にシミュレートし、これらの化合物が必要とする最適なレシピを見つけることができるようになると信じています」オファー。"

「この研究は、わずか数年でこれらの材料をシミュレートする能力において大幅な進歩を可能にした当社の機械学習アプローチのベンチマークとして役立ちます。これにより、新しい化合物を仮想的に迅速にシミュレートし、これらの化合物が必要とする最適なレシピを見つけることができるようになると信じています」オファー。"

オリヴィエ・デュレール

また、デレールにとって重要なのは、この進行中のプロジェクトがどれほど「家族志向」であるかということです。このプロジェクトには、彼の「学術家族」の一員と考えられている現在および元の研究室チームメイトの多くが含まれているからです。

かつてデレアの研究室のポスドクだった前述のグプタ氏に加えて、この論文の最後の責任著者であるジエ・マー氏は、デレアがオークリッジ国立研究所の科学者だったときの最初のポスドクであった。マー氏は大きな成功を収め、中国の上海交通大学の物理学の教授に就任しました。また、昨年の夏に卒業したデレール大学の元博士課程の学生であるジンシュアン・ディン氏は、現在ハーバード大学の博士研究員であり、分析とモデリングを支援しました。

この研究は、広東省基礎および応用基礎研究財団 (2021B1515140014)、中国国家自然科学財団 (52101236、U1732154、T2125008、52272006)、中国科学院高エネルギー物理研究所 (E15154U110)、人工構造と量子制御の主要研究室の公開プロジェクト (2021-05)、米国国立科学財団 (DMR-2119273)、上海教育開発財団と上海市教育委員会の「Shuguang プログラム」、オーストラリア研究評議会 ( DP210101436)。

引用: 「極端なフォノン非調和性がアルギロダイト Ag8SnSe6 の超イオン拡散と超低熱伝導率を支える」Qingyong Ren、Mayanak K. Gupta、Min Jin、Jingxuan Ding、Jiangtao Wu、Zhiwei Chen、Siqi Lin、Oscar Fabelo、Jose Alberto Rodriguez-Velamazan、Maiko光風、中島健二、マーセル・ウルフ、朱鳳峰、王建立、鄭振祥、王國華、シン・トン、ヤンジョン・ペイ、オリバー・デレール、ジエ・マー。 Nature Materials、2023 年 5 月 18 日。doi:10.1038/s41563-023-01560-x

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